科学者が携帯電話とレーザーを使ってマスクをテスト

エリック・ウェストマンにはレーザーが必要だった。そして、その使い方を知っている人も必要だった。

4月、新型コロナウイルスSARS-CoV-2のパンデミックは未だニューヨーク市を猛威を振るっていた。そこから500マイル離れたノースカロライナ州ダーラムでは、ウェストマン氏が数週間にわたって資金集めに奔走していた。失業中の衣装デザイナーや裁縫愛好家たちがオンラインで組織を結成し、地元バレエ団から寄付された入手困難な生地とゴム紐を使って何百枚もの布マスクを作っていたのだ。デューク大学の医師で肥満研究者のウェストマン氏は、他の医師や地域活動家らと協力し、リサーチ・トライアングル内の介護施設、刑務所、ホームレスのキャンプ地、その他の脆弱な人々が住む場所にマスクを無料で配布した。彼らは、農業従事者、バスの運転手、食料品店の従業員など、社会的距離を保つのが容易ではない人々に手を差し伸べることに重点を置き、特に最も大きな打撃を受けると予想される黒人やラテン系の居住地域に支援を求めた。

階段を掃除する清掃員

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彼らの研究は地方自治体の職員の目に留まり、既製品の布マスクを購入するための資金を提供することで彼らの取り組みを支援した。しかし、ウェストマンのチームは大量購入を行う前に、それぞれのマスクのウイルス阻害効果をテストしたいと考えていた。一般的な経験則は、いわゆる日光テストだ。布が光を通過する場合、織り目が感染粒子を遮断するのに十分ではないと判断される。しかし、このテストは科学的根拠が不十分に思えた。国立衛生研究所の研究者たちは最近、レーザーを使用して、マスクを着用しているかどうかにかかわらず、人が話しているときに発生する飛沫の流れを視覚化できることを示した。ウェストマンは、デューク大学でも同様のことができる人はいないかと考えた。「私たちはこれらのマスクに何万ドルもの税金を費やすところでした」と彼は言う。「ただ太陽にかざすだけでなく、より体系的な評価方法が欲しかったのです。」

新型コロナウイルス感染症時代のアメリカでは、布マスクが必需品となっているものの、様々なデザインや素材がウイルス粒子の拡散をどの程度防ぐのかに関する情報は依然として乏しい。ハイテクエアロゾル研究所の研究者たちは、この問題に精力的に取り組んでいる。しかし、繊維数やろ過性能に関する基準が確立されていないため、自分に合ったマスクを選ぶ際には、人々は依然として手探りで判断している。しかし、状況はすぐに変わるかもしれない。ウェストマン氏は答えを探し求め、先週、低コストの検査装置の設計図を初めて公開した。この装置は、効果的なマスクの開発と、効果のないマスクの排除に役立つと期待されている。

5月、ウェストマンはデューク大学の連絡先に電話とメールで連絡を取り、協力してくれる人を探した。彼の依頼は最終的にマーティン・フィッシャーに届いた。彼は化学者であり物理学者でもある。超高速光パルス技術を用いて、人間の皮膚から14世紀の絵画に至るまで、物体の表面下を覗き込むことを専門としている。つまり、彼はレーザーの専門家なのだ。

フィッシャーは、ウェストマンのチームが求めるデータを入手する方法についていくつかのアイデアを持っていた。必要なのは箱、レーザー、ビデオカメラ（最終的には携帯電話）、そしてピクセルから粒子への変換アルゴリズムだ。これらを手に入れるのは簡単だろう。しかし、想像上の装置を操作するのにもう1人必要だった。1人は装置に話しかけ、もう1人はその様子を録画する。デューク大学当局は、異なる世帯の人々がキャンパス内で混在することを厳しく禁じていた。そこでフィッシャーは、デューク大学の神経科学科生である娘のエマに協力を頼んだ。彼女は同意し、大学はフィッシャーの研究室への特別入室許可を与えた。

この春、たった1週間の週末で、2人は人が話しているときに口から漏れる粒子の数を記録・測定する簡単な装置を自作した。その仕組みはこうだ。まず、実験室の照明を消す。暗闇の中で、1人が段ボール箱に取り付けられた漏斗に顔をぴったり近づけ、決まり文句を5回続けて繰り返す（フィッシャー父は「皆さん、健康に気をつけて」を選んだ）。彼が話している間、彼の唇から漏れ出る呼吸器粒子（粘液や口、鼻、肺の汚れの小さな球体）は漏斗を通り、密閉された箱の中に送られる。箱の中で、これらの粒子は、2人が箱の片側にあるスリットから照射するように設置したレーザーが作り出す緑色の光の帯に遭遇する。粒子が光線を横切るたびに、明るい緑色の閃光が花火のように光る。漏斗の反対側に設置された携帯電話のカメラがその様子を捉えた。常にレーザーを扱っているフィッシャー氏でさえ、自分のスピーチで発生した噴出物の量に衝撃を受けた。「中はまるでクリスマスのようでした。」

粒子の大きさと、レーザー光線によって散乱されカメラのレンズに入った際に放出される光量との関係を記述する信頼性の高い物理法則のおかげで、フィッシャーは検出可能な最小粒子の大きさを逆算することができました。それは0.5ミクロンです。これを基に、彼はビデオ映像を開き、フレームごとに個々の粒子を追跡し、放出された検出可能な粒子の数を定量化する短いコンピューターコードを素早く記述することができました。最終的に、約35秒間の会話中に箱の中にどれだけの粒子が蓄積されたかを示す画像が作成されました。これが対照群です。

次に、彼は14種類の異なるマスクを着用して実験を繰り返した。その中には、N95マスク（バルブ付きとバルブなし）、サージカルマスク、バンダナ、スパンデックス混紡のネックゲイター、そして様々なデザインの綿製マスクが含まれていた。その後、彼のチーム（遠隔で共同作業を行う物理学と工学の同僚数名を含む）は、各マスク着用時の飛沫発生率をマスクなしの対照群と比較し、それぞれを順位付けした。この結果は、金曜日にScience Advances誌に掲載された。

これまでのところ、話者の呼気粒子を遮断するのに最も効果的だったマスクは、フィット型のバルブなしN95マスクで、「粒子はまったく検出されなかった」とフィッシャー氏は述べている。サージカルマスクも同様に性能が高く、検出可能な会話粒子をほぼすべて遮断し、ポリプロピレン層を含む綿製マスクが続いた。その他のほとんどの綿製マスクは中間的な成績で、バルブ付きN95マスクも続いた。バルブ付きN95マスクは、山火事の煙、汚染物質、病原体などの吸入による環境の脅威からユーザーを保護するように設計されているが、呼気バルブがあるため、感染の可能性がある粒子の漏れを遮断する効果はほとんどない。バンダナはほとんど効果がない。しかし、それだけでは最悪ではなかった。ランナーやサイクリストに好まれる軽量で通気性のある生地で作られたネックゲイターは、対照群よりもさらに多くの粒子を通過させ、マスクをまったく着用していない場合に比べて110パーセントもの増加となった。

一体どうしてそんなことが可能なの？と疑問に思うのはあなただけではありません。フィッシャー氏も同様に困惑していました。そして、ネックゲイターを着用した自分の映像をもう一度見直しました。「粒子の数が増えただけでなく、平均的に粒子がずっと小さくなっているのが分かります」と彼は言います。彼のチームは、伸縮性のある多孔質の素材が、より大きく重い水滴を粉砕し、空気中に浮遊しやすい小さな粒子に分解していると考えています。

もしそれが本当なら、「マスクをしないよりはどんなマスクでもした方が良い」という格言が覆されることになる、とカリフォルニア大学サンディエゴ校の環境エアロゾル研究者で、この研究には関わっていないキンバリー・プラザー氏は言う。しかし、別の説明も考えられる。もしかしたら、余分な粒子がすべて呼吸器からの飛沫ではないかもしれない。むしろ、素材自体から剥がれ落ちた繊維かもしれないのだ。これは以前にも起きていることが示されており、検証も容易だったはずだが、フィッシャー氏らはそうしなかった。「破片が飛び散れば問題になるだろうが、それが実際に起こっているかどうかは確実には分からない」とプラザー氏は言う。

彼女はまた、マスクテストのサンプルサイズがほとんどが1人であることも指摘しています。この研究では、人々の顔の形や話し方のパターンが、様々な種類のマスクの有効性にどのような影響を与えるかという、あらゆるばらつきを捉えているわけではありません。そのため、このプロジェクトの結果は、より大規模で厳密な他の研究と一致していますが、この研究だけに基づいて個々のマスクの性能結果を過度に解釈すべきではないと彼女は述べています。

それでも、プラザー氏はデューク大学の研究チームが0.5ミクロンの粒子まで検出できる技術に感銘を受けている。ほとんどのレーザー可視化法は、約20ミクロンまでしか感度がない。「これは大きな成果です。なぜなら、この技術は咳やくしゃみで放出される大きな飛沫だけでなく、会話中に放出されるエアロゾル（粒子）も捉えているからです」と彼女は言う。「全体像を把握すると、個人差や様々な条件による差異を比較するための優れたツールになると思います。彼らが開発した装置を使えば、様々なことが可能になります。」

フィッシャー氏とウェストマン氏は、この研究の欠点も認識している。「これは、あらゆる状況下におけるすべてのマスクの決定的なランキングになることは決してありませんでした」とフィッシャー氏は言う。そのためには、数百人、あるいは数千人もの人が、はるかに多くのマスクをテストする必要がある。「『このマスクは効果がある。これは効果がない』という結論を人々に持ち帰ってほしくありません。これはマスクのガイドではありません。マスクの効果を迅速かつ多少大まかに視覚化するための、新しくシンプルな方法論のデモンストレーションなのです」と彼は言う。

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この論文には、多くの研究者がこの装置を再現するのに十分な情報が掲載されている。しかしフィッシャー氏のチームは現在、設計の改良と、他の人々が独自の装置を作成できるようステップバイステップの説明書の作成に取り組んでいる。まず、フィッシャー氏の研究室にあるような強力なレーザー（20万ドル以上もするポンプレーザー）を使う必要はない。「基本的にはステロイドを使ったレーザーポインター」のようなシンプルな2ワットの緑色レーザーで十分であり、オンラインで約100ドルで購入できると彼は言う。その他の変更、設計仕様、安全プロトコルが設計図を構成し、彼らは今年後半に配布する予定だ。週末には、ノースカロライナ州の博物館から、人々が来てマスク着用の影響を自分で見ることができるインタラクティブなレーザーボックス展示の設置に関心があるというメールが届いた。

一方、ウェストマンのチームにとって、フィッシャーの装置は、粒子の噴出を抑える効果がほとんどないマスクを除外し、病院管理者や公選職員が春に医療従事者のために急いで入手していたN95マスクとほぼ同程度に粒子を遮断すると思われる設計を特定するのに役立った。「私たちにとって最も重要なことは、2層の綿製マスクが効果的な製品であると確信できることがわかったことです」と、ウェストマンがマスクの調達と配布活動の拡大支援のために雇ったダーラムの地域活動家、アイザック・ヘニオンは言う。ヘニオンもウェストマンも、協力するかどうかを選んだ特定のサプライヤーの名前を明かすことは避けた。しかし、データを手にした彼らは、購入契約に署名し始めた。現在までに、ノースカロライナ州の人々に少なくとも12万5000枚の再利用可能な布製マスクを配布した。

フェイスカバー運動を開始してから数ヶ月が経った今でも、ウェストマン氏は毎日、診療所以外ではマスクの着用を拒否する患者に遭遇している。「本当に困惑します」と彼は言う。彼は、この時点では世論の議論はマスクを着用すべきかどうかではなく、どのようなタイプのマスクを着用すべきかに集中しているだろうと予想していた。「もし人々が、話すときに口からどれだけの粒子が出るのかを知っていたら、いや、実際に見ることができれば、状況は変わるかもしれません」と彼は言う。「当たり前のことですが、知らない人が多いようです」

彼は、レーザーを一つずつ導入することで、この状況を変えられることを期待しています。

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